双锥面声透镜换能器的研究

　　1　引言

　　声透镜的应用设计中,透镜表面的几何形状及其曲面形状参数对声场聚焦效果至关重要。本文根据在声场中尽可能长的范围内,获得声束宽度较小,旁瓣高度适中的聚焦声束的要求,对双锥面声透镜的透射声场与透镜面形参数之间的关系进行分析。

　　2　透镜透射声场分布的理论

　　双锥面透镜是由与竖直线夹角为α和β的两直线段绕水平z轴旋转而成的,如图1所示。

　　透镜在z轴方向厚度为

　　声波经声透镜后,在空间产生的声场较复杂,为描述超声应用中较关心的近轴声焦点附近的声场分布,假定平面声波经透镜透射后传播方向偏移甚小,到达紧靠透镜垂直于声轴的圆面σ上时,声束宽度不变。将圆面σ当作一类似活塞源的新振源,由惠更斯原理,则空间各点的声压可看作此圆面上各点产生的声波叠加的结果。与活塞源不同的是,声波经透镜到达σ面上时,因衰减及声程差异,幅度及相位均经过了调制,即σ面上各点的振动幅度、相位不同,忽略声波在透镜表面的反射及透射造成的能量损失,认为声波通过透镜后,其振幅大小不变,仅位相变化,设u0为透镜入射面上的声压振幅,则σ面上声压复振幅分布为[1]

　　式中:

　　k为透镜周围媒质中的声波波数;

　　m为媒质和透镜中的声速比。

　　空间任一点p(z,r)处的声压复振幅可表示为[2]

　　式中为倾斜因子,φ为n、r′之间的夹角,对于薄透镜,透镜厚度b可忽略。

　　3　声场计算结果及分布特征的讨论

　　对聚苯乙烯材料制成的双锥面透镜在水中形成的聚焦声场进行了研究。数值计算时聚苯乙烯中声速取2340m/s,水中声速取1500m/s,u0取1,设透镜孔径为2a,水中波长为λ,令a=20λ,锥面倾角β=12°,改变透镜另一锥面倾角α,计算相应的透射声场,计算结果如表1和图2所示。表中声束宽度指-6dB声束宽度,主旁瓣落差12dB以上的区域只考虑了z≤20a的区域。

　　分析计算结果发现:双锥面声透镜换能器的声场和活塞换能器的声场沿轴向-6dB声束截面及侧向分布的特征类似, - 6dB声束截面在焦点以远的整体形状是以声束扩散角为张角的圆锥形,但双锥面声透镜换能器的声场轴向声束扩散角和侧向旁瓣高度都较活塞换能器减小了。当透镜锥面角α逐渐增大时,声场焦点处-6dB声束宽度和-6dB声束截面扩散角均减少,焦点逐渐向透镜方向移近,声束逐渐变得细长,但同时侧向旁瓣高度也升高,主旁瓣落差12dB以上的轴向区域在变小,并且轴向声压下降较快,为在声场中沿轴向尽可能长的范围内获得声束较细、声压较高、旁瓣高度适中的声场,以提高透镜换能器的分辨率和增大声场可利用范围,α值取6°～8°较合适。